Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Ein Elektronenkäfig aus Schallwellen

14.11.2017

Internationales Wissenschaftlerteam entwickelt neues Konzept, Elektronen mit Hilfe von Schallwellen einzufangen zu manipulieren.

Ausschlaggebend für die Eigenschaften moderner, technologisch relevanter Materialien ist das korrelierte Verhalten der Elektronen in ihrem Innern. Ein besseres Verständnis davon ist nur möglich, wenn es gelingt, diese Teilchen kontrolliert einzufangen, entweder einzeln und isoliert, oder als Vielteilchensystem in einer Festkörperumgebung.


In einem piezoelektrischen Material (PE) erzeugen stehende Oberflächen-Schallwellen ein zeitabhängiges elektrisches Potential, das auf die in einer dünnen Schicht gefangenen Elektronen, d.h. ein zweidimensionales Elektronengas (DEG), wirkt. Je nach Geometrie des Aufbaus sind die resultierenden akustischen Gitter ein- oder zweidimensional. Bei hohen Schallwellenfrequenzen kann das effektive Potential als zeitunabhängiges Pseudogitter betrachtet werden. Die Bewegung eines Elektrons in einem Potentialminimum entspricht den Schwingungen eines harmonischen Oszillators, die überlagert werden durch hochfrequente „Mikroschwingungen“ sehr kleiner Amplitude.

(Grafik: Originalveröffentlichung)

Wegen ihrer – im Vergleich zu Atomen – extrem kleinen Masse sind die punktförmigen Teilchen aber sehr flink und wendig und lassen sich deshalb nur schwer an einem Ort festhalten. Nun hat ein internationales Wissenschaftlerteam um Prof. Ignacio Cirac (Max-Planck-Institut für Quantenoptik, Garching), und Prof. Mikhail Lukin (Harvard Universität, USA) eine neue Methode ausgearbeitet, eine Art „Käfig“ für Elektronen zu bauen (Physical Review X 7, 24. Oktober 2017).

Danach erzeugen Schallwellen auf piezoelektrischen Oberflächen elektrische Potentiale, mit deren Hilfe Elektronen verschoben oder auch eingefangen werden können. Mit stehenden Schallwellen lassen sich darüber hinaus Gitterstrukturen ähnlich denen von optischen Gittern für neutrale Atome erzeugen.

Zum einen liefert die Arbeit einen allgemeinen theoretischen Rahmen sowie Richtlinien für eine experimentelle Realisierung des Konzepts. Zum andern untersuchen die Wissenschaftler im Detail die Eignung bestimmter, aus Schichten aufgebauter Halbleiterstrukturen als experimentelle Plattform. Der vorgeschlagene Aufbau ist von fundamentalem Interesse für die kontrollierte Untersuchung von in Festkörpersystemen auftretenden Quasiteilchen.

Er stellt aber auch eine neue Möglichkeit für die Quantensimulation von Festkörper-Vielteilchensystemen dar mit der Aussicht, in bislang unbekannte Parameterbereiche vorzustoßen, dank der extrem kleinen Teilchenmassen, der systemeigenen Elektron-Phonon-Kühlung und den starken Wechselwirkungen zwischen den Teilchen.

Basiselement in diesem Konzept ist eine aus verschiedenen Schichten gebildete Festkörperstruktur: auf einem Substrat ist zunächst ein dünner, praktisch zweidimensionaler Film aus einem halbleitenden Material, z.B. Galliumarsenid, aufgetragen. Darauf befindet sich eine Schicht aus einem piezoelektrischen Material, auf dessen Oberfläche zwei „Interdigital Transducer“ (IDT) aufgeprägt sind.

Die aus jeweils zwei dünnen Filmelektroden bestehenden IDTs erzeugen entgegen gesetzt laufende Oberflächenwellen. Diese „surface acoustic waves“ (SAWs) rufen ein zeitabhängiges periodisches elektrisches Potential hervor, das wiederum auf die in dem dünnen Halbleiterfilm gefangenen Elektronen wirkt. Die Tiefe und der Gitterabstand des Potentials werden durch die an den IDTs angelegte Spannung gesteuert.

SAWs wurden bereits erfolgreich eingesetzt, um die Position einzelner Elektronen zu verändern, oder um Elektronen die wenigen Nanosekunden lang festzuhalten, während der sich die Schallwellen auf der Oberfläche ausbreiten. Der neue Ansatz schlägt jedoch ein „quasi-stationäres“ Fallenpotential vor. „Wenn die Frequenz der Schallwellen hoch genug ist, können die Elektronen der schnell oszillierenden Kraft nicht mehr folgen“, erklärt Johannes Knörzer, Doktorand in der Abteilung Theorie von Prof. Cirac am MPQ. „Die Potentiallandschaft kann dann als ein effektiv zeitunabhängiges Pseudogitter beschrieben werden, das die Elektronen in der Nähe eines lokalen Minimums festhält.“

Ein Schwerpunkt der Arbeit ist die detaillierte Beschreibung der Bedingungen, unter denen einzelne Teilchen in von Schallwellen erzeugten elektrischen Potentialen dynamisch eingefangen und gekühlt werden können. „Die Rechnungen implizieren z.B., dass sehr tiefe Temperaturen erforderlich sind. In gewisser Weise erinnert die theoretische Behandlung des Systems an die von Ionen-Fallen“, erläutert Johannes Knörzer. Der andere Schwerpunkt ist die Simulation von Quanten-Vielteilchensystemen durch ein System aus Elektronen in einem akustischen Gitter. „Die Dynamik von Elektronen in einem akustischen Gitter hat große Ähnlichkeit mit dem Verhalten von fermionischen ultrakalten Atomen in optischen Gittern; beides wird vom Fermi-Hubbard Modell erfasst“, fügt Knörzer hinzu.

Das Team analysiert die Machbarkeit des Konzepts für unterschiedliche Heterostrukturen, in denen sich hochfrequente Schallwellen schnell ausbreiten können. Die Überlegungen gelten nicht nur für Elektronen, sondern auch für sogenannte Quasiteilchen wie Exzitonen oder Löcher, die in modernen Materialien auftreten. „Wir haben den starken Wunsch, ein tieferes Verständnis von den Eigenschaften und Wechselwirkungen dieser Teilchen zu gewinnen. Das ist unsere Motivation, einen Kontrollmechanismus zu finden, der die Allgemeinheit und Flexibilität der optischen Gitter auf Festkörpersysteme überträgt“, resümiert Prof. Ignacio Cirac. „Unser höchstes Ziel ist es, das Verhalten korrelierter Elektronen in technologisch relevanten Materialien und Molekülen zu verstehen. Das würde den Weg ebnen, einen universellen Quantensimulator zu bauen.“ Olivia Meyer-Streng

Beschreibung der Grafik:
In einem piezoelektrischen Material (PE) erzeugen stehende Oberflächen-Schallwellen ein zeitabhängiges elektrisches Potential, das auf die in einer dünnen Schicht gefangenen Elektronen, d.h. ein zweidimensionales Elektronengas (DEG), wirkt. Je nach Geometrie des Aufbaus sind die resultierenden akustischen Gitter ein- oder zweidimensional. Bei hohen Schallwellenfrequenzen kann das effektive Potential als zeitunabhängiges Pseudogitter betrachtet werden. Die Bewegung eines Elektrons in einem Potentialminimum entspricht den Schwingungen eines harmonischen Oszillators, die überlagert werden durch hochfrequente „Mikroschwingungen“ sehr kleiner Amplitude.
(Grafik: Originalveröffentlichung)

Originalveröffentlichung:
Original publication:
M. J. A. Schuetz, J. Knörzer, G. Giedke, L. M. K. Vandersypen, M. D. Lukin, and J. Ignacio Cirac
Acoustic Traps and Lattices for Electrons in Semiconductors
Physical Review X 7, 041019 (2017), DOI: 10.1103/PhysRevX.7.041019

Kontakt:

Prof. Dr. J. Ignacio Cirac
Honorarprofessor TU München und
Direktor am Max-Planck-Institut für Quantenoptik
Hans-Kopfermann-Straße 1
85748 Garching b. München
Telefon: +49 (0)89 / 32 905 - 705
E-Mail: ignacio.cirac@mpq.mpg.de

Johannes Knörzer
Doktorand, Abteilung Theorie
Max-Planck-Institut für Quantenoptik
Hans-Kopfermann-Str. 1
85748 Garching b. München
Telefon: +49 (0)89 / 32 905 - 315
E-Mail: johannes.knoerzer@mpq.mpg.de

Dr. Olivia Meyer-Streng
Presse- und Öffentlichkeitsarbeit
Max-Planck-Institut für Quantenoptik
Telefon: +49 (0)89 / 32 905 - 213
E-Mail: olivia.meyer-streng@.mpq.mpg.de

Dr. Olivia Meyer-Streng | Max-Planck-Institut für Quantenoptik
Weitere Informationen:
http://www.mpq.mpg.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Wesentliche Quantencomputer-Komponente um zwei Größenordnungen verkleinert
14.11.2017 | Institute of Science and Technology Austria

nachricht Leoniden 2017: Sternschnuppen im Anflug?
14.11.2017 | Max-Planck-Institut für Astronomie

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Leoniden 2017: Sternschnuppen im Anflug?

Gemeinsame Pressemitteilung der Vereinigung der Sternfreunde und des Hauses der Astronomie in Heidelberg

Die Sternschnuppen der Leoniden sind in diesem Jahr gut zu beobachten, da kein Mondlicht stört. Experten sagen für die Nächte vom 16. auf den 17. und vom 17....

Im Focus: «Kosmische Schlange» lässt die Struktur von fernen Galaxien erkennen

Die Entstehung von Sternen in fernen Galaxien ist noch weitgehend unerforscht. Astronomen der Universität Genf konnten nun erstmals ein sechs Milliarden Lichtjahre entferntes Sternensystem genauer beobachten – und damit frühere Simulationen der Universität Zürich stützen. Ein spezieller Effekt ermöglicht mehrfach reflektierte Bilder, die sich wie eine Schlange durch den Kosmos ziehen.

Heute wissen Astronomen ziemlich genau, wie sich Sterne in der jüngsten kosmischen Vergangenheit gebildet haben. Aber gelten diese Gesetzmässigkeiten auch für...

Im Focus: A “cosmic snake” reveals the structure of remote galaxies

The formation of stars in distant galaxies is still largely unexplored. For the first time, astron-omers at the University of Geneva have now been able to closely observe a star system six billion light-years away. In doing so, they are confirming earlier simulations made by the University of Zurich. One special effect is made possible by the multiple reflections of images that run through the cosmos like a snake.

Today, astronomers have a pretty accurate idea of how stars were formed in the recent cosmic past. But do these laws also apply to older galaxies? For around a...

Im Focus: Pflanzenvielfalt von Wäldern aus der Luft abbilden

Produktivität und Stabilität von Waldökosystemen hängen stark von der funktionalen Vielfalt der Pflanzengemeinschaften ab. UZH-Forschenden gelang es, die Pflanzenvielfalt von Wäldern durch Fernerkundung mit Flugzeugen in verschiedenen Massstäben zu messen und zu kartieren – von einzelnen Bäumen bis hin zu ganzen Artengemeinschaften. Die neue Methode ebnet den Weg, um zukünftig die globale Pflanzendiversität aus der Luft und aus dem All zu überwachen.

Ökologische Studien zeigen, dass die Pflanzenvielfalt zentral ist für das Funktionieren von Ökosys-temen. Wälder mit einer höheren funktionalen Vielfalt –...

Im Focus: Auf der Jagd nach dem feinsten Tropfen

Moderne Verkehrsflugzeuge kommen schon mit weniger als drei Litern Treibstoff pro 100 Kilometer und Passagier aus. Diesen Wert noch weiter zu verbessern, daran arbeiten Wissenschaftler am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) im University Technology Centre von Rolls-Royce. Zudem wollen die Ingenieure den Verbrennungsprozess so optimieren, dass deutlich weniger Abgase entstehen. Dafür nutzen sie Superrechner und Simulationsmethoden, die sonst bei Tsunami-Berechnungen oder für Wasser-Effekte in Computerspielen eingesetzt werden.

Um beim Fliegen weniger Schadstoffe wie Ruß oder Stickoxide zu produzieren, reiche es nicht, den Verbrauch zu reduzieren, stellt Rainer Koch, Abteilungsleiter...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Konferenz zum Thema „Logistikcluster Deutsch-Französische und Europäische Perspektive“ 4.12.2017

14.11.2017 | Veranstaltungen

Internationale Konferenz mit über 180 Forscherinnen und Forschern tagt an der HAW Hamburg

14.11.2017 | Veranstaltungen

Der Deutsche Krebskongress 2018

13.11.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Ein Elektronenkäfig aus Schallwellen

14.11.2017 | Physik Astronomie

Digitale Messtaster von WayCon – höchst präzise und vielseitig einsetzbar

14.11.2017 | Energie und Elektrotechnik

Erster Modularer Supercomputer weltweit geht am Forschungszentrum Jülich in Betrieb

14.11.2017 | Informationstechnologie